表面张力.docx

1、表面张力表面张力表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力(surface tension)是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。关于表面张力多相体系中相之间存在着界面(interface)。习惯上人们仅将气-液

2、，气-固界面称为表面(surface)。 表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。将水分散成雾滴，即扩大其表面，有许多内部水分子移到表面，就必须克服这种力对体系做功表面功。显然这样的分散体系便储存着较多的表面能(surface energy)。 相关数据在293K下水的表面张力系数为72.7510-3 Nm-1，乙醇为22.3210-3 Nm-1，正丁醇为24.610-3Nm-1，而水-正丁醇（4.1）的界面张力为3410-3 Nm-1。 表面张力的测值通常有多种方法，目前实验室及教科书中,通常采用的测试方法为最大气泡压法.由于其器材易得，操作方法相对易于

3、学生理解表面张力的原理,因而长期以来是教学的必备方法。 作为表面张力测试仪器的测试方法，通常有白金板法(du Nouy method)白金环法(Wilhelmy plate method)悬滴法滴体积法最大气泡压法等。定义及相关(1)定义或解释促使液体表面收缩的力叫做表面张力1。 液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。 (2)单位表面张力的单位在SI制中为牛顿/米（N/m），但仍常用达因/厘米（dyn/cm）, 1dyn/cm = 1mN/m。 1N=105dyn。(3)说明表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。 如果液面是曲面，表

4、面张力就在这个曲面的切面上。 表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分。是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转。在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用，受力不均，使速度较大的分子很容易冲出液面，成为蒸汽，结果在液体表面层(跟气体接触的液体薄层)的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说，它们处在特殊的情况中。表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊

5、层中分子间的引力作用占优势。因此，如果在液体表面上任意划一条分界线MN把液面分成a、b两部分。F表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力，F6表示右部分表面层中的分子对a部分的吸引力，这两部分的力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。 表面张力F的大小跟分界线MN的长度成正比。可写成F=L或=F/L。 比值叫做表面张力系数，它的单位常用dyn/cm。在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。 液膜表面张力系数=液膜的表面能/液膜面

6、积=F表面张力/(2*所取线段长）。 表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关。 表面张力在自然界在自然界中，我们可以看到很多表面张力的现象和对张力的运用。比如，露水总是尽可能的呈球型，而某些昆虫则利用表面张力可以漂浮在水面上。 实验实验一 这个实验，也可以说是一个关于表面张力的小游戏。先找一个朋友和你一起来进行这个游戏，然后准备一杯水（把水加到杯子的边缘处，目视水至杯口齐平处），16枚1元的硬币(也可以更多)。然后是这个游戏的规则，和朋友每人一次向杯子里轮流投放硬币，每次投放硬币数没有限制，可以一次放进1枚，可以2或3枚,或者更多，直到谁先把水溢出杯子为止。投放硬币的时候用拇指和食指捏住硬

7、币轻轻的放进盛满水的杯子。本人最多一次投放了82枚1元硬币。 实验二用孔纸片托水 材料：瓶子一个、大头针一个、纸片一张，有色水一满杯 操作： 1.在空瓶内盛满有色水。 2.用大头针在白纸上扎许多孔。 3.把有孔纸片盖住瓶口。 4.用手压着纸片，将瓶倒转，使瓶口朝下。 5.将手轻轻移开，纸片纹丝不动地盖住瓶口，而且水也未从孔中流出来。 讲解薄纸片能托起瓶中的水，是因为大气压强作用于纸片上，产生了向上的托力。小孔不会漏出水来，是因为水有表面张力，水在纸的表面形成水的薄膜，使水不会漏出来。这如同布做的雨伞，布虽然有很多小孔，仍然不会漏雨一样。 部分液体或固体的表面张力/表面能数据：（25度) 理论纯

8、净水(DI Water) 72 mN/m 碳氢类表面活性剂(Hydrocarbon surfactant) 约 35 mN/m 聚硅氧烷类表面活性剂(Silicon Surfactant) 约 25 mN/m 氟碳氢类表面活性剂(Fluorinate surfactant) 约 20 dynes/cm (0.01-0.1%) 环氧树脂(Epoxy Resin) = 47 dynes/cm 聚酰胺类聚合物(Polyamide)（尼龙） = 46 dynes/cm 纤维素(Cellulose) = 45 dynes/cm 聚酯类聚合物(PET Polymer) 约 = 43 dynes/cm 聚氯

9、乙烯类聚合物(Polyvinyl Chloride Polymer) 约 = 39 dynes/cm 聚丙烯酸酯类聚合物(Poly acrilic polymer) 约 = 35 dynes/cm 聚乙烯类聚合物(Poly stylene polymer) 约 = 33 dynes/cm 聚胺脂类聚合物(Poly urithane polymer) 约 = 30 dynes/cm 矽胶类聚合物(Silicon polymer) 约 = 24 dynes/cm Teflon = 18 dynes/cm 实验三 准备一盆清水和一根绣花针，将针小心翼翼地，水平地，放在平静的水面，针就会浮着啦 。这是

10、因为水分子紧紧地结合在一起，产生了表面张力，把针给“撑”了起来。 拿起洗清液，往水里一挤，针沉下去了，因为洗清液破坏了表面张力，所以针沉了。 实验四 准备一根细长的木棍或牙签，用小刀雕刻成独木舟的样子，在独木舟的一端沾上一点洗发水，再将它放在一盆清水中，不用任何动力，独木舟就自己走了起来。 这是因为在洗发水中含有表面活性剂，这些活性剂可以减弱水的表面张力，因此独木舟上沾有洗发水一端周围的水面张力减弱，而其另一端的张力不变，两端的张力差形成了对独木舟的推力，独木舟自然就会自己前进了。毛细现象 毛细作用，是液体表面对固体表面的吸引力。 毛细管插入浸润液体中，管内液面上升，高于管外，毛细管插入不浸润

11、液体中，管内液体下降，低于管外的现象。毛巾吸水，地下水沿土壤上升都是毛细现象。 液体为什么能在毛细管内上升或下降呢? 我们已经知道,液体表面类似张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势.因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力.浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升，达到平衡.同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象. 在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子.植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来.砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是

12、常见的毛细现象.在这些物体中有许多细小的孔道,起着毛细管的作用.您知道为什么往装满水的杯里扔东西，水却溢不出来？ 这个实验，也可以说是一个关于表面张力的小游戏。先找一个朋友和你一起来进行这个游戏，然后准备一杯水（把水加到杯子的边缘处，目视水至杯口齐平处），16枚1元的硬币(也可以更多)。然后是这个游戏的规则，和朋友每人一次向杯子里轮流投放硬币，每次投放硬币数没有限制，可以一次放进1枚，可以2或3枚,或者更多，直到谁先把水溢出杯子为止。投放硬币的时候用拇指和食指捏住硬币轻轻的放进盛满水的杯子。如何理解表面张力一、液体的表面张力产生的原因 1.首先，要理解什么是表面层，由液体的性质可知：液体中分子

13、与分子之间的距离比气体分子之间的距离小得多，它的平均距离r0的数量级约为10-10m,当两个分子之间的距离大于r0，而小于10 r0时，也就是说分子间的距离在r010 r0之间时，此时，分子之间的作用力表现为引力，若分子间的距离大于10 r0 ，则引力趋于零，所以，我们可以认为液体分子之间的引力作用范围是一个半径不超过10 r0的球，只有球内的分子才对球心的分子有作用力，这个球的半径就称为分子引力作用半径。而液面下厚度约等于分子引力作用半径的一层液体称为液体的表面层。所以，凡是液体跟气体接触的表面，都会形成一个有两个表面的薄层，称为表面层。2.其次，表面层内分子的分布，从两个角度认识表面张力。

14、从分子运动理论的观点分析：当分子间距小于分子引力作用半径时，它们之间才有相互作用的引力。如果我们在液体内部任取一分子P ,以P为球心，以分子引力半径R 为半径作一球，这样球外分子对P 无作用力，只有球内分子对P 的作用力。在液体内部和表面层分别取两个分子A和B，分子A在液体的内部，分子B在液体的表面层中。如图，液体中两个分子A和B受周围分子引力作用的情形。对A分子而言：受到的引力必定是球对称的，合力等于零。对B分子来说：它处于液面下厚度为R的表面层中,分子B的情形就不同了。B分子受到两种力的作用：液体和液外气体。但是由于气体的密度与液体相比是很小的，它们对液体分子的引力作用可以忽略。因而分子B

15、所受的引力作用,不再是球对称的了，合力不再等于零。由于球体是左右对称，上下不对称的，所以对于B分子所受的其他分子的作用力,在水平方向上的分力相互抵消，合力方向应该为垂直液面向下的。这样，处于表面层中的液体分子,都受到垂直于液面并指向液体内部的力的作用。在这些力作用下,表面层内的所有液体分子均受有向下的吸引力，使液体表面的分子有被拉进液体内部的趋势,从而把表面层紧紧拉向液体内部。在宏观上就表现为液体表面有收缩的趋势。当自由表面收缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方向相反的作用力，这种表面层内分子间的分子力为引力的宏观表现，称为表面张力。 从能量观点来分析：由于表面层中的液体分子，受到液体内分子的引

16、力都有指向液体内部的，所以表面层中的分子受力后，就要进入液体内部分子力做正功，分子势能减少。液体内部的分子要移到表面层，需克服分子力做功，分子势能就要增加。即表面层内分子的势能比液体内部分子的势能大，表面层为高势能区，表面层中所有分子高出内部分子的那部分势能的总和，称为液体的表面能。任何一个系统，当它处于稳定状态时，系统的能量必定是最低态的。因此，一个液体系统在稳定状态下应具有最低的表面能。这就要求液体表面层中应包含尽可能少的分子，所以表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势，从而使液体系统具有尽可能小的表面积，即液面有收缩的趋势，这种趋势在宏观上就表现为液体的表面张力。原因同样是：当自由表面收

17、缩时，在收缩的方向上必定有与收缩方向相反的作用力，这种力称为表面张力。二、液体的表面张力的三要素 1.大小：由于表面张力来自于大量分子间的引力，是大量分子引力的宏观表现，如果参与作用的分子越多，宏观的表面张力就越大。因此表面张力与所研究的那部分液面的周界线的长度L成正比；不同性质的液体，表面张力应不同，因此引入了表面张力系数，实验发现表面张力系数与液体性质、温度和纯度有关，故表面张力表示为：F =L 。在200C时，水的面张力系数=7.910-2 N/，浓度为的肥皂水面张力系数=3.610-2 N/，浓度为的肥皂水面张力系数=2.710-2 N/，所以在相同的条件下，浓度高的肥皂水容易成膜。

18、2.方向和作用点：表面张力是跟液体表面共面或相切的。如果液面是平面，表面张力就在这个平面上；如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。作用在任何一部分液面上的表面张力，总是跟这部分液面的分界线垂直。可见，液体表面张力是一部分液面与另一部分液面之间的相互作用，施力物体和受力物体都是液体。如果在液面上划一条分界线，把液面分为A和B 两部分，那么由于表面层中分子间的引力，液面A对液面B有引力FAB的作用，液面B对液面A有引力FBA作用，FAB和FBA为作用力和反作用力，大小相等、方向相反。因此表面张力在液面里各个方向都有，使液面像一张绷紧的弹性膜。三、液体的表面张力的应用 1.水黾停在水面上，学

19、生容易认为是表面张力的合力抵消了水黾的重力了，应该强调表面张力使表面层具有弹性，是表面层给水黾的弹力抵消了重力。 2.毛细管内外液面的高度差分析：在表面张力的作用，液面呈弯曲状，任何弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加压强，附加压强的作用方向总是指向液体表面的曲率中心方向，凹进的弯液面对液体附加一个负压强，即附加压强指向液体的外部；凸起的弯液面，对液体附加一个正压强，即附加压强指向液体的内部。 如果液体的表面是半径为R的球面的一部分，其产生的附加压强的多大呢？选出一小块球面S来分析，如图，加在L上的力F=L。由于FX=F sin,所以FX=L sin,因而施加在整个球面S上平行于半径OC的力为

20、FX=FX=sinL=sin2r ，从图中读出sin=r/R ，则FX=2r2/R ，附加压强为： P= FX/S=2r2/Rr2=2/R 。 由此可见，附加压强与表面张力系数成正比，而与表面的球面半径成反比。 液体浸润固体时，表面呈凹形，而不浸润时表面呈凸形。这种弯曲的液体叫弯月面，如图凹液面下有P=2/R ，对h高液柱分析：P0+ P= P0+gh ，由图中可知：R=r/cos.当液体完全浸润时=0 ，所以管内液体上升高度h=2/gr .对不浸润现象，液面低于容器中广阔部分的液面，其高度的计算与上式相同。 实例：在水中浸入三个同样细的毛细管，两个是直的：一长一短，另一个是弯的，如图所示。水

21、在长直管中上升的高度比矮的直管高，比弯管的最高点还要高，那么短直管的水面与弯管中的水面将是什么样的呢？ 分析：液体在直的毛细管内上升的水柱，产生的压强向下，应该和表面产生向上的附加压强相等；可知直管的液面是表面呈凹形。但液柱高的产生的压强大，所以附加压强也大，即液面半径要小；而短的直管液面半径要大些，即平缓一些。而弯曲的毛细管，根据液体能传递压强的特性，就能进入弯管内，我们选择虚线这个面分析：对左部分有，弯曲的液柱有向上的压强才能和直管液柱产生向下的压强相等。对整个弯曲的液柱分析：左面的直液柱对这段弯液柱有向下的压强，那右面的液面产生的压强一定是向下，所以液面也是凹进的，液面半径要比短的直管的

22、液面半径还要大。表面张力的一些基本知识什么是表面张力？ 众所周知，我们可以根据分子间的互相吸引力来解释液体的性质。这种分子间的吸引力就被称之为分子内聚力或称范德华力。而表面张力、界面张力以及相类似的现象就是用来解释分子内聚力的基本物理现象。 具体来说，构成液体的分子在表面上所受的力与本体内的会不相同。在本体内的分子所受的力是对称的、平衡的。而在表面上的分子，受本体内分子吸引而无反向的平衡力。这就是说，它受到的是拉入本体内的力。也就是说，力图将表面积缩小，使这种不平衡的状态趋向平衡状态。热力学的说法是：要将这体系的表面能降至最小，这个力就称为“表面张力，也说是单位面积上的自由能(J/m2)，也就

23、是形成或扩张单位面积的界面所需的最低能量。它的数值和表面张力(N/m)一致。由于习惯，常用表面张力表示表面自由能，它对液体表面的物理化学现象起着至关重要的作用。在日常生活中，早晨荷叶上的露珠、杯子中的弧形水面等均为表面张力现象。参见下图示意用来测量表面/界面张力的常用几种方法 一、白金板法 当感测白金板浸入到被测液体后，白金板周围就会受到表面张力的作用，液体的表面张力会将白金板尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时，感测白金板就会停止向液体内部浸入。这时候，仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将它转化为液体的表面张力值。 具体测试过程中，白金板法的测试步骤为：(1)将白金

24、板逐渐浸入液体；(2)在浸入液体表面状态下，由感应器感测平衡值；(3)将感应到的平衡值转化为表面张力值，并显示出来。 参见下图：二、白金环法 又称du Nouy Ring method，du Nouy环法,吊环法表面张力计，脱环法表面张力计。其原理为：(1)将白金环轻轻地浸入液体内；(2)将白金环慢 慢地往上提升，即液面相对而言下降，使得白金环下面形成一个液柱，并最终与白金环分离。白金环法就是去感测一个最高值，而这个最高值形成于白金环与液体样品将离而未离时。由于这个方法很早被使用，故而原有表面张力计基本均采用这种方法，现有很多数据也是用这种方法测得。具体的操作过程见下图：1. 白金环悬挂在液体

25、表面之上，并且已归零。2. 白金环刚开始接触到液体表面，由于白金环此时接触到的是液体表面那层薄膜；此时显示屏开始显示数值。(显示数字很小或是负的)3. 白金环开始浸入到液体内部，由于表面张力的作用显示数值开始变大。4. 白金环浸入到液体内5mm处停止，此时显示的数值是液体对两根连接白金环金属丝的表面张力的作用。(数值的大小取决于金属丝直径大小)5. 开始缓慢下降样品台。6. 显示屏上的数值在逐渐变大。7. 随着样品台的缓慢下降，白金环在液体表面之上形成一柱液体薄膜。此时显示的数值已到达最大。8. 最终白金环与液体脱离、液体薄膜破裂，显示数值减小。(以上两种测试方法是最常用的方法) 三、最大气泡

26、法四、旋转滴法此法适用于测量超低界面张力，其范围一般为10mNm以下。为什么界面张力方向与界面相切？界面张力的原因不是由于界面上的分子受到液体内分子向下的力吗？ “液体表面张力方向与液面相切”这个“液面”，指的就是液体与空气接触的那个面，通常我们叫液体表面。如果是水，那就是指水面。如果是水银那就是指水银表面。如果液体是盛在容器里，那这个面就在上面，如果是某个平面上的一滴液体，那这个面就是除了底面以外剩下的那些露在空气中的部分，当然如果悬空，那它的所有表面就都是所指的液体表面了。 “表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直”这个“两部分”、“分界线”又是什么意思啊？。那先要理解表面张力。

27、关于表面张力： 液体表面是有收缩趋势的。一滴水银滴在玻璃上；一滴滴在表面有油漆的纸或布上的水，再比如草叶上、荷叶上的水珠，他们都是扁球形对吧？如果这一点你认可就好办了。他们之所以呈这种扁球形地聚拢在一起而没有平摊开，就是因为他们的表面有一个膜，好比一个气球包着他们一样，这完全可以理解，不包着，就散开，没散开就包着喽，对吧？ 这个液体表面，我们暂且管他叫液体表面膜，比如露珠，它的表面膜，也是水，它包着内部的水。表面的水和内部的水分子间的情形不一样了，不一样的原因是它与空气接触，有分子扩散到空气中，使它的分子密度变小，这样分子间距离就变大，分子间的力就呈引力，就跟气球被吹鼓后气球的膜分子间的情形相

28、似。吹鼓的气球有收缩趋势对吧？气往外推气球，气球往里压气体，就有收缩趋势嘛！ 在液体表面的这个曲面上用刀切一下，就是划一条线。能想象出来吧？这一条线，就把液面分成了两个部分，好比在蒸好的发糕表面切一刀一样，发糕就成了两部分了。这样你说的“分界线”和“两部分”就出来了，对吧？ 液体的这两部分之间，就有互相拉伸的力，对吧？都往自己那面拉。正是这个力，使液体表面收缩嘛！ 在你划的那条线上任意找一点，那这两个部分在此点的作用情形是什么？也是互相拉嘛！就跟拉绳子的时候，绳子上的一点处，两部分的绳子相互拉，一样。 在液面上的这条线上的这个点处，两面各自往自己的方向拉，这个拉力的方向，就是面在这一点的切线方

29、向，就跟你刚才划的那条线垂直。那两部分中，一部分拉另一部分的力，就叫张力，当然另一部分也在拉这一部分，也是张力，和上面说的那个是作用力与反作用力。因为是液体表面两部分的相互作用力，就叫液体表面张力。这个张力的方向与分界线垂直任一点都垂直，与液体表面相切在任一点都相切。1.表面张力是一种物理效应，它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积，就好像它是一层弹性的薄膜一样。 要扩大一个一定体积的液体的表面，那么需要向这个液体作功。 要扩大一个一定体积的液体的表面，那么需要向这个液体作功。表面张力的定义为在扩大一个液体的表面时所作的功除以被增大的面积。因此表面张力也可以被看作是表面能的密度。液面由

30、于跟气体接触，表面层里分子的分布要比液体内部稀疏些，也就是分子间的距离比液体内部大些在表面层中，由于分子间的距离比较大，分子间的作用力就表现为引力如果在液体表面任意划一条分界线MN，把液体表面分为左右两部分，那么，液面左侧的分子对液面右侧分子的作用力的合力为引力F1，液面右侧的分子对左侧分子的作用力的合力为引力F2，F1和F2大小相等方向相反液面各部分之间这种相互吸引的力叫做表面张力在表面张力作用下，液体表面有收缩到最小的趋势 定义一对液体表面张力的概念是这样叙述的：液面上任一分界直线一边的表面层与另一边的表面层之间相互吸引的力，叫做表面张力 液面上任一分界直线一边的表面层与另一边的液体（实际

31、上是另一边厚度为二倍表面层厚度的表面双层）之间相互作用的力（尽效果为引力）在液面切向的分量，叫做表面张力要扩大一个一定体积的液体的表面，那么需要向这个液体作功。表面张力的定义为在扩大一个液体的表面时所作的功除以被增大的面积。因此表面张力也可以被看作是表面能的密度。 液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力就是表面张力，它能使液面自动收缩。表面张力是由液体分子间很大的内聚力引起的。处于液体表面层中的分子比液体内部稀疏，所以它们受到指向液体内部的力的作用，使得液体表面层犹如张紧的橡皮膜，有收缩趋势，从而使液体尽可能地缩小它的表面面积。我们知道，球形是一定体积下具有最小的表面积的几何形体。因此，在表面张力的作用下，液滴总是力图保持球形，这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。 表面张力的方向与液面相切，并与液面的任何两部分分界线垂直。表面张力仅仅与液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力就越小。另外杂质也会明显地改变液体的表面张力，比如洁净的水有很大的表面张力，而沾有肥皂液的水的表面张力就比较小，也就是说，洁净水表面具有更大的收缩趋势。 ,原来液体与气体相接触时，会形成一个表面层，在这个表面层内存在着的相互吸引力